(57)【要約】【課題】顕微鏡及びプローブ等を用いることなく、短時間で簡単かつ正確に積層型圧電素子の絶縁抵抗を測定し、絶縁抵抗が低下した部位と特定することができる測定方法を提供する。【解決手段】セラミックス層１３を介在して、正極と負極の内部電極層１１，１２が交互配置された柱状のセラミックス積層体１０と、前記正極又は負極の内部電極層１１，１２のいずれかに、いずれか一方が電気的に接続された一対の外部電極２１，２２と、を備えた積層型圧電素子１の絶縁抵抗の測定方法であって、積層型圧電素子１から負極の外部電極２２を取り外す工程と、負極の外部電極２２が取り外された積層型圧電素子１の端面に導電性を有した研磨部材５０を当接させ、研磨部材５０と負極の外部電極５０との間に電圧を印加する工程と、研磨部材５０により、積層型圧電素子１の端面５０を研磨しながら、前記電圧に基づいて前記セラミックスの絶縁抵抗を測定する工程と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス層を介在して、正極と負極の内部電極層が配置された柱状のセラミックス積層体と、前記正極又は負極の内部電極層のいずれかに、いずれか一方が電気的に接続された一対の外部電極と、を備えた積層型圧電素子の絶縁抵抗の測定方法であって、
前記積層型圧電素子からいずれか一方の前記外部電極を取り外す工程と、
前記セラミックス積層体の端面に導電性を有した研磨部材を当接させ、該研磨部材と他方の前記外部電極との間に電圧を印加する工程と、
前記研磨部材により、前記セラミックス積層体の前記端面を研磨しながら、前記電圧に基づいて前記セラミックス積層体の絶縁抵抗を測定する工程と、
を含むことを特徴とする積層型圧電素子の絶縁抵抗の測定方法。
【請求項２】
前記電圧を印加する工程において、前記正極の外部電極を電源の正極に接続し、前記研磨部材を前記電源の負極に接続することを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子の絶縁抵抗の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部電極層を有したセラミックス積層体と、該内部電極層に接続された外部電極と、備えた積層型圧電素子の絶縁抵抗の測定方法に係り、特に、セラミックス積層体の絶縁抵抗の低下を測定し、その低下した箇所を容易に特定できる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電圧に応じた変位量を制御するために、例えばエンジンの燃料噴射弁の開閉などに圧電素子が用いられることがある。このような圧電素子として、制御性及び応答性を高めるために、内部電極層とセラミックス層とを交互に積層した構造のセラミックス積層体を備えた積層型圧電素子が利用されている。
【０００３】
その一例として、図５に示す積層型圧電素子１が提案されている（例えば、特許文献１参照）。積層型圧電素子１は、セラミックス積層体１０と、このセラミックス積層体１０を挟持した一対の外部電極２１，２２を備えている。セラミックス積層体１０は、セラミックス層１３を介して、正極と負極の内部電極層１１，１２が交互に積層配置されている。また、正極又は負極の内部電極層１１，１２のいずれか一方が、これに対応した正極又は負極の外部電極２１，２２に接続さている。
【０００４】
このような、積層型圧電素子１は、一対の外部電極２１，２２に電源を接続し、該電源からの電圧を制御することにより、内部電極層１１，１２間に電界が印加される。そして、この電界の強度に応じて、各セラミックス層１３が長手方向（積層方向）に変位し、積層型圧電素子１のセラミックス積層体１０の変位が調整される。
【０００５】
ところで、特許文献１の示すセラミックス積層体１０は、長時間繰返して使用することにより、経時的にセラミックス層の絶縁低下が生じることがある。セラミックス層１３の絶縁性の低下が顕著になると、積層型圧電素子の性能は低下してしまう。
【０００６】
よって、絶縁低下したセラミックス層を特定することは、積層型圧電素子の設計及び開発を行なう際には重要である。そこで、その部位を特定する場合、内部電極層に電圧測定用のプローブを接触させて、電極間のセラミックス層の電圧を測定することにより、セラミックス層の絶縁抵抗の測定を行なう。その後、内部電極と平行に積層型圧電素子の端面の研磨を行い、セラミックスが変色した部位（変色部）を確認し、その部位を絶縁低下部位であると特定している。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２２３０１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、積層型圧電素子１のセラミックス積層体１０は、およそ数１０μｍ毎に内部電極層が積層された構造になっているので、絶縁低下部位を探し出すには、内部電極層の一層ごとにプローブを接触させなければならない。その作業は、金属顕微鏡でセラミック積層体を観察しながらの作業となり、かつ、数μｍの内部電極にプローブを接触させる作業となる。このような作業は容易にできるものでなく、作業時間も長くかかるものであった。
【０００９】
さらには、測定により絶縁抵抗が低下したセラミックス層が判明した後に、内部電極層と平行に積層型圧電素子の端面をやすり等に接触させてこれを研磨し、絶縁低下した変色部の確認を行なっているが、電極間のセラミックス層は数１０μｍ程度しかなく、目標とする部分まで研磨するために、電極位置を顕微鏡で確認していかなければならない。そして、このような作業では、変色部を逃して研磨しすぎてしまうこともあった。
【００１０】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、顕微鏡及びプローブ等を用いることなく、短時間で簡単かつ正確に、積層型圧電素子の絶縁抵抗を測定し、積層型圧電素子のうち絶縁抵抗が低下した部位を特定することができる測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決すべく、本発明に係る積層型圧電素子の絶縁抵抗の測定方法は、セラミックス層を介在して、正極と負極の内部電極層が配置された柱状のセラミックス積層体と、前記正極又は負極の内部電極層のいずれかに、いずれか一方が電気的に接続された一対の外部電極と、を備えた積層型圧電素子の絶縁抵抗の測定方法であって、前記積層型圧電素子からいずれか一方の前記外部電極を取り外す工程と、前記セラミックス積層体の端面に導電性を有した研磨部材を当接させ、該研磨部材と前記他方の外部電極との間に電圧を印加する工程と、前記研磨部材により、前記セラミックス積層体の前記端面を研磨しながら、前記電圧に基づいて前記セラミックス積層体の絶縁抵抗を測定する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、まず、積層形圧電素子の一方の外部電極を取り外す。これにより、積層形圧電素子は、他方の外部電極のみが、これに対応する極の内部電極層に電気的に接続された状態となる。
【００１３】
次に、一方の外部電極が取り外された柱状のセラミックス積層体の端面に導電性を有した研磨部材を当接させる。本発明でいう、セラミックス積層体の端面とは、この積層体の積層方向に対する端部のことをいい、内部電極層に対して平行な面のことをいう。また、研磨部材に導電性を有した材料を用いたので、研磨部材を積層型圧電素子の擬似電極として取り扱うことができる。
【００１４】
そして、この当接した姿勢を維持しつつ、研磨部材と前記他方の外部電極との間に電圧を印加する。これにより、研磨部材を一方の電極とみなし、他方の外部電極に接続された内部電極層と、研磨部材との間に電圧を印加することができる。
【００１５】
さらに、この状態を維持して、研磨部材によりセラミックス積層体の端面を研磨する。このとき、研磨部材は、柱状のセラミックス積層体の端面に当接しているので、セラミックス積層体の内部電極層と平行な面に沿って研磨部材とセラミックス積層体とを相対的に摺動させることになる。これにより、セラミックス積層体の研磨代は積層体の層厚さに一致するので、研磨部材の表面に接触するセラミック積層体の端面を研磨するに従って、研磨される層は、セラミック層→内部電極層→セラミックス層…の順に変化する。
【００１６】
この変化に伴って、研磨部材と他方の外部電極との間において印加された電圧に基づいて、セラミックス積層体のうち、絶縁抵抗が低下したセラミックス層の絶縁抵抗を測定することができ、測定した絶縁抵抗の変動を以って絶縁抵抗が低下した（絶縁低下した）部位を特定することができる。
【００１７】
このように、本発明によれば、研磨作業と同時に、絶縁抵抗が低下したセラミック層、すなわち、絶縁抵抗が低下したセラミックス積層体の部位を、容易かつ正確に特定することができる。換言すると、本発明の方法は、研磨しながら絶縁抵抗が低下した部位の特定ができるので、従来の顕微鏡で確認しながら数μｍの内部電極層にプローブを当てて、各層の抵抗を測定し、その後研磨するという一連の工程が不要となり、より短時間かつ軽作業で実施できるものである。
【００１８】
なお、セラミックス積層体を研磨する際には、研磨部材と外部電極とが接触しないようしなければならない。接触した場合には、２つの電極（研磨部材と他方の外部電極）間で短絡することになり、セラミックス積層体そのものの絶縁抵抗を測定することができない。
【００１９】
また、本発明に係る積層型圧電素子の絶縁抵抗の測定方法は、前記電圧を印加する工程において、前記正極の外部電極を電源の正極に接続し、前記研磨部材を前記電源の負極に接続し、これらの間に電圧を印加することがより好ましい。本発明によれば、研磨部材を電源の負極に接続するので、作業時に作業者が研磨部材を触れた場合であっても、安全に作業を行なうことができる。さらに、研磨時に金属類が研磨部材に接触した場合であっても、短絡することがなくので、より確実性をもって、絶縁抵抗を測定することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、顕微鏡及びプローブ等を用いることなく、短時間で簡単かつ正確に、積層型圧電素子の絶縁抵抗を測定し、積層型圧電素子のうち絶縁抵抗が低下した部位を特定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、図面を参照して、本発明に係る積層型圧電素子の絶縁抵抗の測定方法を実施形態に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、本実施形態に係る積層型圧電素子の測定方法を説明するための図であり、（ａ）は、積層型圧電素子から負極の外部電極を取り外す工程を説明するための図であり、（ｂ）は、積層型圧電素子の端面に研磨部材を当接させる工程を説明するための図であり、（ｃ）は、セラミックス積層体を研磨しながら電圧の変動を測定する工程を説明するための図である。
【００２３】
まず、ここで測定対象となる積層型圧電素子１について、図１（ａ）及び図４により説明する。
図１（ａ）及び図４に示すごとく、積層型圧電素子１は、セラミックス積層体１０と、一対の外部電極２１，２２と、を少なくとも備え、外部電極２１，２２により、セラミックス積層体１０内に電界（電圧）を印加させることにより、セラミックス積層体１０を積層方向に変位させるための素子である。
【００２４】
セラミックス積層体１０は、内部電極層１１，１２とセラミックス層１３とを交互に積層してなる柱状の積層体であり、該セラミックス積層体１０の外面において、外部電極２１，２２が内部電極層１１，１２に電気的に接続されている。
【００２５】
より具体的には、内部電極層１１，１２は、正極の内部電極層１１と負極の内部電極層１２を有しており、セラミックス積層体１０は、セラミックス層１３を介在して、正極と負極の内部電極層１１，１２が積層方向（長手方向）に交互に配置されることになる。
【００２６】
各正極の内部電極層１１は、導電性を有する内部電極部１１１と、該内部電極部１１１の外周端部がセラミックス積層体１０の外周面よりも内方に控えるための、セラミックス層と同じ材料からなる控え部１１２とを有している。同様に、負極の内部電極層１２も、内部電極部１２１と控え部１２２を有している。
【００２７】
各正極の内部電極層１１と各負極の内部電極層１２との間には、圧電セラミックス材料からなるセラミックス層１３が配置されており、セラミックス積層体１０は、正極の内部電極層１１、セラミックス層１３、負極の内部電極層１２、セラミックス層１３、正極の内部電極層１１、…の順に、積層されることになる。なお、セラミックス層は、例えばチタン酸バリウム系セラミックスや、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系セラミックス等の圧電セラミックスからなる。
【００２８】
また、測定対象となる積層型圧電素子１は、同極の外部電極と内部電極層が電気的に接続されているのであれば、控え部を必ずしも有する必要はなく、セラミックス層と内部電極層が交互配置されているものであれば、正極と負極の内部電極層が交互に配置されていなくてもよい。
【００２９】
さらに、セラミックス積層体１０の外面において、正極又は負極の内部電極層１１，１２のいずれか一方に、これに対応する一対の外部電極２１，２２の一方が電気的に接合されている。
【００３０】
具体的には、正極の外部電極２１は、セラミックス積層体１０の一方の外面（正極側の外面）に露出した正極の内部電極層１１の内部電極部１１１に、電気的に接続されている。一方、負極の外部電極２２は、セラミックス積層体１０の他方の外面（負極側の外面）に露出した負極の内部電極層１２の内部電極部１２１に、電気的に接続されている。
【００３１】
本実施形態では、このような構造の積層型圧電素子１の絶縁抵抗の測定方法を以下に説明する。まず、図１（ａ）に示すように、負極の外部電極２２を紙やすり等を用いて削り取る。これにより、積層形圧電素子１は、正極の外部電極２１のみが、内部電極層に電気的に接続された状態となる。
【００３２】
本工程では、負極の外部電極２２を取り外すことができるのであれば、削り取る方法に限定されるものではなく、切除等により取り外してもよい。なお、本実施形態では、後述するように、研磨部材５０を負極に接続し、実際の使用時と同じ極に電源の極を接続すべく、負極側の外部電極２２を取り除くことが好ましいが、正極側の外部電極２１を取り除いても、後述する測定は可能である。
【００３３】
次に、図１（ｂ）に示すように、負極の外部電極２２が取り外された柱状のセラミックス積層体１０の端面１０ａに、導電性を有した研磨部材５０を当接させる。このとき、研磨部材５０と正極の外部電極２１とは接触させない。後述する電圧の印加の際に、研磨部材５０と正極の外部電極２１とが短絡してしまうので、セラミックス積層体１０に電圧を印加することができなくなるからである。ここでいう、セラミックス積層体の端面１０ａとは、図１（ｂ）からも明らかなように、内部電極層１１，１２に対して平行な面である。
【００３４】
研磨部材５０としては、例えば紙やすり、金属やすり等を挙げることができ、セラミックス層１３及び内部電極層１１、１２を研磨して削ることができること、及び、後述する電圧の印加が可能なように導電性を有するものであれば特にその部材及び方法は限定されるものではない。
【００３５】
そして、図１（ｃ）に示すように、セラミックス積層体１０と研磨部材５０との当接した姿勢を維持しつつ、正極の外部電極２１を例えば銀ペーストを介して絶縁抵抗測定部６０のプラス側に、スイッチ７０を介して接続すると共に、研磨部材５０を、例えばワニ口クリップ等を用いて、絶縁抵抗測定部６０のマイナス側に接続する。
【００３６】
ここで使用される絶縁抵抗測定部６０とは、正極の外部電極２１と研磨部材５０との間に電圧を印加し、この印加した電圧及びその変化に基づいて、正極の外部電極２１と研磨部材５０との間の絶縁抵抗を測定し、絶縁低下した部位を特定するものである。
【００３７】
具体的には、絶縁抵抗測定部６０は、直流電源６１と、この直流電源６１に接続された電圧計６２と、電圧計６２に並列接続された電圧測定用の分割抵抗６３と、過電流が流れないように回路を保護するための保護抵抗６４と、を備えている。上述する絶縁抵抗測定部６０のプラス側とは、直流電源６１の正極側に相当し、マイナス側とは、直流電源６１の負極側に相当する。
【００３８】
このように、絶縁抵抗測定部６０を、正極の外部電極２１及び研磨部材５０に接続し、スイッチ７０を閉じることにより、研磨部材５０は、導電性を有しているので擬似電極として作用する。これにより、セラミック積層体１０を介して、正極の外部電極２１と研磨部材５０との間に電圧を印加することができる。この際、セラミック積層体１０のうち、電源６１によって電圧が印加する層は、端面１０ａに最も近い内部電極と、研磨部材５０との間の特定のセラミックス層となる。
【００３９】
このような電圧印加状態を維持しつつ、研磨部材５０及びセラミックス積層体１０のいずれか一方を摺動させて、研磨部材５０によりセラミックス積層体１０の端面１０ａを研磨する。このとき、研磨部材１０は、柱状のセラミックス積層体１０の端面１０ａに当接しているので、セラミックス積層体１０の内部電極層１１、１２と平行な面に沿って研磨部材５０とセラミックス積層体１０とを相対的に摺動させることになる。
【００４０】
これにより、セラミックス積層体の研磨代は積層方向の層厚さに一致するので、研磨部材の表面に接触するセラミック積層体の端面を研磨するに従って、研磨される層は、セラミック層１３→負極の内部電極層１２→セラミックス層１３→正極の内部電極１１…の積層された層の順に変化する。
【００４１】
研磨部材５０と正極の外部電極２１との間において、電源６１により電圧を印加させて、この電圧を起因としてセラミックス積層体１０に流れる電流に応じた電圧を電圧計６２で測定し、この測定値を換算して、セラミックス積層体１０の絶縁抵抗を測定することができる。
【００４２】
さらに、研磨時において研磨部材５０により研磨されるセラミックス積層体１０の層の変化に伴って、前記電圧も変動する。特に絶縁低下したセラミックス層１３は、健全なセラミックス層に比べて、その電圧の変動が大きいので、これを測定することにより、セラミックス積層体１０のうち絶縁低下したセラミックス層を、容易かつ正確に特定することができる。
【００４３】
このように、本実施形態の方法によれば、研磨作業と同時に、セラミックス積層体に印加される電圧からセラミックス層１３の絶縁抵抗を測定し、電圧の変動に基づいて、絶縁抵抗が低下したセラミックス層を容易かつ正確に特定することができる。
【００４４】
また、研磨部材５０を直流電源６１の負極側に接続したので、作業時に作業者が研磨部材５０を触れた場合であっても、安全に作業を行なうことができ、研磨時に金属類が研磨部材５０に接触した場合であっても、短絡することがなくので、より確実性をもって、絶縁抵抗を測定することができる。
【実施例】
【００４５】
本発明を実施例に基づいて以下に説明する。
実施例として、図５に示すような、タル型形状のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）積層型圧電素子を準備した。
【００４６】
そして、紙やすりで負極の外部電極を削り取り、導電性を有した紙やすりにセラミックス積層体の端面を当接させた。次に、正極の外部電極を、銀ペーストを介して絶縁抵抗測定部のプラス側（直流電源の正極側）に接続し、紙やすりには、ワニ口クリップを用いて絶縁抵抗測定部のマイナス側（直流電源の負極側）に接続した。接続後スイッチを閉じて、紙やすりと正極の外部電極との間に電圧を印加し、紙やすりにより、セラミックス積層体の端面を研磨しながら、電圧の経時的変化を測定した。この結果を図２に示す。また、この電圧変化に伴うセラミックス積層体の研磨状態を観察した。図３及び図４は、図２の電圧の変化に合わせた、セラミックス積層体の研磨状態を説明するための模式図である。
【００４７】
なお、測定電圧は、以下の式１により算出した。なお、絶縁抵抗値は、以下の式２によって、算出することができる。
測定電圧（Ｖ）＝Ｖ１×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）…（式１）
絶縁抵抗値（Ω）＝Ｖ１×Ｒ１／測定電圧−（Ｒ１＋Ｒ２）…（式２）
ここで、Ｖ１は、電源の出力電圧値（Ｖ）であり、Ｒ１は、保護抵抗の抵抗値（Ω）であり、Ｒ２、は分割抵抗の抵抗値（Ω）であり、図２は、短絡時の電圧を１００％としたときの、電圧値の割合を示している。
【００４８】
図３に示すように、セラミックス積層体の正極の内部電極層１１が紙やすり（研磨部材）５０に接触すると、区間Iにおける図２のＡ部のような短絡した電圧波形となった。すなわち、内部電極層１１と正極の外部電極２１との間に電流が流れ、この電流を電圧計が電圧として測定したことにより、電圧値が上昇する。
【００４９】
そして、内部電極層の研磨が完了すると、図２のＢ部に示すような漸減した波形となる。その後、図２の区間IIにおいて、図４（ａ）に示すように、積層型電圧素子の負極の内部電極層を研磨し、さらに、図４（ｂ）に示すように、セラミックス層まで研磨していくと、電圧値は徐々に低い値を推移して行く。
【００５０】
しかし、セラミックス層に絶縁低下がある場合には、図２のＣ部に示すように、電圧値は、３０％〜１００％の範囲を変化した。そして、仕上げにその内部電極を研磨作業で削り落とすことにより、絶縁低下部位（絶縁破壊部位）の特定は終了となり、絶縁低下した部分のセラミックス層において、変色部を確認することができた。
【００５１】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【００５２】
例えば本実施形態では、柱状のセラミックス積層体と研磨部材との当接後、これらを絶縁抵抗測定部６０に接続したが、この順序が逆になっていてもよく、セラミックス積層体の研磨と絶縁抵抗の測定とが同時に行えるものであれば、実施形態における各工程の順序を、入れ替えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本実施形態に係る積層型圧電素子の測定方法を説明するための図であり、（ａ）は、積層型圧電素子から負極の外部電極を取り外す工程を説明するための図であり、（ｂ）は、積層型圧電素子の端面に研磨部材を当接させる工程を説明するための図であり、（ｃ）は、セラミックス積層体を研磨しながら電圧の変動を測定する工程を説明するための図。
【図２】実施例に係る印加した電圧の変化を測定した結果を示した図。
【図３】図２に示す測定区間Iにおけるセラミックス層の研磨状態を説明するための図。
【図４】図２に示す測定区間IIにおける内部電極層の研磨状態を説明するための図であり、（ａ）は、積層型電圧素子の負極の内部電極層を研磨している状態を示した図であり、図４（ｂ）は、セラミックス層を研磨している状態を示した図。
【図５】従来の積層型圧電素子の斜視図。
【符号の説明】
【００５４】
１：積層型圧電素子、１０：セラミックス積層体、１１：正極の内部電極層、１２：負極の内部電極層、１３：セラミックス層、２１：正極の外部電極、２２：負極の外部電極、５０：研磨部材、６０：絶縁抵抗測定部、６１：電源、６２：電圧計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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